Au cours des dernières années, les générateurs thermoélectriques font l'objet d'un nombre croissant d'études, en raison de leur capacité à convertir la chaleur perdue en énergie électrique. Points quantiques, cristaux semi-conducteurs aux propriétés conductrices distinctives, pourraient être de bons candidats pour la génération thermoélectrique, car leurs niveaux de résonance discrets fournissent d'excellents filtres énergétiques.

Dans une étude récente, chercheurs de l'Université de Cambridge, en collaboration avec des collègues à Madrid, Rochester, Duisbourg et Sheffield, ont démontré expérimentalement le potentiel d'un collecteur d'énergie nanométrique autonome basé sur des points quantiques à effet tunnel résonnant. Cette moissonneuse est basée sur des recherches antérieures effectuées par une partie de leur équipe, qui avait proposé un récupérateur d'énergie à trois bornes basé sur deux points quantiques à effet tunnel résonnant avec différents niveaux d'énergie.

Le dispositif de récupération d'énergie a été réalisé au Cavendish Laboratory à Cambridge par un chercheur appelé Gulzat Jaliel. La proposition théorique originale du dispositif, cependant, a été introduit par Andrew Jordan en 2013, et le travail théorique derrière la moissonneuse a été réalisé par lui en collaboration avec le célèbre physicien des semi-conducteurs Markus Büttiker et une équipe de post-doctorants à Genève.

"Depuis l'article de mes collègues Rafa et Markus sur les points bloqués de Coulomb, J'ai commencé à penser à la thermoélectrique dans les circuits mésoscopiques, " Jordan, l'un des chercheurs qui a développé la théorie derrière la moissonneuse, dit Phys.org. « Lors de mon congé sabbatique à Genève en 2010-2011, nous pensions et calculions au sujet du moteur thermique à cavité chaotique avec des contacts ponctuels quantiques et j'ai fini par publier un autre article avec Björn et Rafa."

Le dispositif précédemment proposé par Jordan et certains de ses confrères, cependant, prédit une faible puissance. A l'été 2013, donc, lorsqu'il retourna à Genève pour une brève visite, Jordan a commencé à explorer davantage la relation entre l'effet tunnel résonnant et la thermoélectricité. Son intuition était qu'un appareil utilisant des points quantiques résonnants aurait une puissance plus importante et une efficacité élevée.

"Je me souviens très bien m'être assis dans ma chambre d'hôtel un samedi à Genève, jouer avec les équations, et réalisant que si nous donnions simplement à la cavité sa propre température et son propre potentiel chimique, alors tout est devenu très simple et nous avons eu un beau résultat que pour chaque intervalle d'énergie l'électron capte, une seule charge électronique a été transportée et le bilan de charge et d'énergie était simple, " a déclaré Jordan. " La mise à l'échelle serait également simple, en principe. J'ai écrit les résultats avec Björn et Rafa, et Markus, bien sûr, Et le reste est de l'histoire."

L'étude récente a débuté lorsque le doctorat de Jaliel. superviseur, le professeur Charles G. Smith, lui a conseillé d'essayer la réalisation expérimentale du collecteur d'énergie à points quantiques dans le cadre de sa thèse et elle a décidé de l'essayer. Son projet s'est également inspiré de recherches antérieures menées par le Dr Jonathan Prance au Laboratoire Cavendish, dans lequel il a utilisé un appareil similaire pour faire la démonstration d'un réfrigérateur, mettant en évidence un double rôle de tels dispositifs.

Dans leurs récentes expériences, Jaliel et ses collègues ont essentiellement construit un collecteur d'énergie en plaçant deux points quantiques à côté d'une cavité centrale. Ils ont ensuite contrôlé les niveaux d'énergie de chaque point en appliquant différentes tensions à leurs grilles de piston respectives et ont chauffé la cavité en soutenant les courants alternatifs dans le canal voisin.

La moissonneuse développée par Jaliel et ses collaborateurs peut, du moins en principe, atteindre l'efficacité Carnot. En outre, il peut être optimisé pour atteindre une grande puissance en combinaison avec un rendement élevé à puissance maximale.

"Lorsque l'énergie des électrons correspond à l'énergie des points quantiques, ils peuvent entrer ou sortir de la cavité par les points, " Gulzat Jaliel, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Lorsque les électrons entrent dans la cavité chaude par un point de niveau d'énergie inférieur, et sortir par le niveau d'énergie supérieur, ils doivent puiser de l'énergie dans la cavité pour pouvoir terminer le processus, et donc générer de manière autonome une certaine puissance thermique à partir de la cavité chaude."

Ce montage expérimental a permis aux chercheurs de réaliser le nouveau récupérateur d'énergie. Dans les applications du monde réel, cependant, la cavité utilisée dans leur étude pourrait être réchauffée à l'aide d'une variété d'autres sources, y compris la chaleur résiduelle d'autres dispositifs quantiques.

De façon intéressante, le récupérateur d'énergie présenté par Jaliel, La Jordanie et leurs collègues pourraient agir comme une source d'énergie verte lorsqu'ils sont étendus à des millions ou des milliards, car l'énergie perdue qu'il récupère augmenterait également en proportion. Un autre avantage de ce système à base de points quantiques est qu'il pourrait être utilisé pour charger d'autres appareils dans des situations où l'approvisionnement en énergie est faible, tels que les satellites dans des endroits avec de grands gradients de température.

"Le but principal de notre expérience était de démontrer que la proposition théorique est réalisable et fiable, " a déclaré Jaliel. "Toute autre application industrielle sera également très intéressante à voir."

D'autres équipes de chercheurs ont construit des récupérateurs d'énergie similaires dans le passé. Un exemple en est une moissonneuse réalisée par Holger Thierschmann et al., qui s'appuyait également sur l'étude antérieure de Sanchez et Buttiker. Par rapport à cette moissonneuse-batteuse développée précédemment, cependant, le dispositif réalisé par Jaliel et ses collègues est plus facile à contrôler, tout en offrant une plus grande puissance et efficacité.

Lors de la collecte de mesures à une température de base estimée de 75 mK dans un He ³ /Il ⁴ réfrigérateur, En réalité, ce nouveau collecteur d'énergie à points quantiques peut générer une puissance thermique remarquable de 0,13 fW pour une différence de température entre chaque point d'environ 67 mK. Dans leurs futures études, les chercheurs prévoient d'explorer trois stratégies possibles pour améliorer encore les performances de l'abatteuse. Premièrement, ils aimeraient redessiner les points pour mieux contrôler les taux de tunneling, puis augmentez l'échelle de l'appareil et améliorez sa température de fonctionnement.

"Un contrôle plus fin des taux d'effet tunnel devrait permettre d'atteindre une efficacité Carnot proche de l'idéal, " a déclaré Jaliel. " L'augmentation de la puissance pourrait être réalisée avec des puits quantiques à effet tunnel résonnant, comme prédit également par la partie théorique d'une autre étude de Björn Sothmann, Rafael Sanchez, Andrew N Jordan et Markus Büttiker. J'ai essayé de réaliser expérimentalement cet appareil pendant mon doctorat. étudier, mais malheureusement j'ai manqué de temps avant de le finir. J'aimerais vraiment recommencer si j'en ai l'occasion."

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